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从“比特币挖矿”看区块链共识机制

2017-01-17 15:33:26作者:江苏银行信息科技部 梁斌编辑:金融咨询网
区块链(Blockchain)是比特币的底层技术,类似一个数据库账本,由分布在不同区域的节点共同参与决策并记载所有的交易记录,而决策规则的核心就是共识机制。

2009年1月3日,一个名叫中本聪的神秘黑客率先提出了“比特币”的概念,截至2015年底,已开采的比特币达到1500万个左右。与大多数货币不同,比特币不依靠特定货币机构发行,它依据特定算法,通过大量的计算产生,人们把“利用计算机硬件资源计算比特币位置(也就是SHA256 hash值)并获取比特币的过程”称之为“比特币挖矿”。

  比特币本质上是由分布式网络系统生成的数字货币,其发行过程不依赖特定的中心化机构,而是依赖于分布式网络节点共同参与一种称为“工作量证明(Proof of Work, PoW)”的共识过程完成交易的验证与记录。

  PoW共识过程(俗称“挖矿”,每个节点称为矿工)通常是各节点贡献自己的计算资源来竞争解决一个难度可动态调整的数学问题,成功解决该数学问题的矿工将获得区块的记账权,同时当前时间段的所有比特币交易被打包记入一个新的区块,并按照时间顺序链接到比特币主链上。

  区块链(Blockchain)是比特币的底层技术,类似一个数据库账本,由分布在不同区域的节点共同参与决策并记载所有的交易记录,而决策规则的核心就是共识机制。

  共识机制是决定按照哪一个参与节点记账,以及确保交易完成的技术手段和机制。共识机制需要平衡效率与安全的关系,即安全措施越复杂处理速度就越慢,若要提高处理速度,必然要简化安全措施的复杂度。

  从目前看,区块链技术的共识机制主要有:Pow(工作量证明机制)、PoS(股权证明机制)、DPoS(授权股权证明机制)、Pool(验证池机制)等(如图1所示)。

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  1.工作量证明机制(Proof of Work, PoW)工作量证明机制,顾名思义,获得货币量的多少取决于挖矿工作的成效,用户所使用的计算机性能越好,挖矿获得的货币就越多,即根据工作量分配货币。

  比特币挖矿就是通过与或运算,计算出一个满足规则的随机数,即获得本次记账权,同时发出本轮需要记录的数据,全网其他节点验证后一起存储。系统用工作量证明机制来分发资产,以鼓励用户挖矿,保障网络的稳定性。目前大部分的虚拟货币,如比特币、莱特币等都是基于PoW模式的虚拟货币(计算力越强、挖矿时间越长,获得的货币就越多)。

  PoW优点是完全去中心化,节点自由进出。存在的问题,一是目前比特币已经吸引了全球大部分的算力,使用PoW共识机制的区块链应用很难获得相同的算力来保障自身的安全;二是挖矿造成大量的资源浪费;三是共识达成的周期较长。PoW虽然不太适合商业应用,但在太阳能研究、宇宙智能探索,甚至数学领域中具有很大的应用潜力。

  2.股权证明机制(Proof of Stake, PoS)简而言之,PoS是一个根据用户持有货币的数量和时间派发利息的制度。在PoS模式下,有一个名为“币龄”的概念,即每个币每天产生1币龄,如用户持有100个币,共持有30天,则其拥有的币龄为3000。此时若用户发现了一个PoS区块,则其币龄就会被清空,用户每被清空365币龄,将会从区块中获得0.05个币的利息(可理解为年利率5%)。随后,系统会进行一个SHA256的哈希运算,基于交易输入和其他一些固定数据,以及当前时间得出哈希值。该哈希运算类似于比特币的工作量证明,其难度与交易输入的“币龄”成反比。由于“币龄”清空为零,每发现一个新块,矿工的算力也归为零。

  与PoW相比,PoS是一种升级的共识机制,根据每个节点代币数量和时间的比例降低挖矿难度,加快随机数的寻找速度。在实际运用中,PoS的优点是在一定程度上缩短了共识达成的时间,在更短时间内达成共识,安全性更有保障,这对于金融业大数据应用意义重大,另外,PoS构建了区块链技术前沿运用的基础。其缺点是还需要挖矿,本质上并没有解决商业应用的痛点。

  3.股份授权证明机制(DPoS)DPoS是一种新的保障加密货币网络安全的算法。它在尝试解决比特币采用的传统工作量证明机制以及点点币和NXT所采用的股份证明机制的问题的同时,还能通过实施科技式的民主以抵消中心化所带来的负面效应。其工作原理类似于董事会投票,给持币者一把可以开启他们所持股份对应的表决权的钥匙,而不是给他们一把能挖矿的铲子。

  DPoS的优点在于大幅缩小了参与验证和记账节点的数量,从而达到秒级的共识验证。缩减对于确认的需求将使得交易速度直线上升,签署区块的任务将会托付给由网络选出的可信之人。在这样的设计中,不用再设置人为的障碍来减缓区块签署的过程。相较于传统的P0W和PoS系统,DPoS能够在单一区块内容纳更多笔交易,将加密货币技术带到一个新的层次,使其能够与中心化的结算系统相媲美。

  4.Pool验证池Pool中文意思为联营、合伙经营,是一种基于传统的分布式一致性技术加数据验证机制,是目前行业区块链大范围使用的共识机制。其优点是,不需要代币也可以工作,在成熟的分布式一致性算法(Pasox、Raft)基础上,实现秒级共识验证,极大地提升了验证的速度,在速度有保障的前提下,安全性也更高,是适合多方参与的多中心商业模式。

  本文通过“比特币挖矿”了解到区块链的共识机制,共识机制永远需要在效率与安全之间达成最佳平衡。在比特币应用中采用了完全去中心化的共识机制,而在联盟链和私有链中,我们也看到去中心化不是那么完全的共识机制,相信基于区块链技术演化和发展,会有更多的技术和机制进入到我们的视野和应用场景中,区块链在比特币中的应用为我们打开了一扇通向未来数字货币的大门,而从数字货币到数字金融最终达到数字社会之路仍然任重道远,共识机制需要不断完善和创新。

(文章来源:《中国金融电脑》杂志)

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